黄河宁蒙河段防凌形势与对策措施刍议

韩璞璞，丁志宏，2，丛娜

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.天津市中水科技咨询有限责任公司，天津300170）

黄河宁蒙河段防凌形势与对策措施刍议

韩璞璞1，丁志宏1，2，丛娜1

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.天津市中水科技咨询有限责任公司，天津300170）

由于特殊的地理位置和气候条件，黄河宁蒙河段凌汛灾害威胁严重。在分析黄河宁蒙河段防凌形势的基础上，提出了相应的对策措施，探讨了其中的若干技术问题，以期为有关方面开展黄河宁蒙河段凌汛灾害的预防和处置工作提供技术参考。

黄河；宁蒙河段；凌汛；防灾减灾；泥沙；工程调度；冰凌模型

黄河宁蒙河段是指起自宁夏回族自治区中卫县南长滩、终至内蒙古自治区准格尔旗马栅乡的黄河干流，全长1 203.8 km，其中峡谷段239.8 km、库区段94.5 km、有治理任务的河段869.5 km，流经25个市、县（旗、区），地处黄河上游的最下段，海拔1 000—1 400 m，整体流向为自西南向东北流。宁蒙河段近年来的较大凌汛灾害主要发生在1988年12月的磴口县粮台乡段、1990年2月的达拉特旗大树湾段、1993年2月的乌前旗金星乡白土圪卜段、1996年3月的乌海市黄柏茨湾段、2001年12月的乌达铁路桥段、2003年9月的毛不浪孔兑段、2008年3月的杭锦旗独贵特拉奎素段、2015年12月的清水河县喇嘛湾段等。

宁蒙河段两岸是我国西北地区社会经济发展规模较大、灌溉农业发展较为突出的区域之一，涉及耕地78.33万hm2、人口356万，宁夏回族自治区75%以上的粮食产量和90%以上的工业产值均来源于黄河左岸的引黄灌区，内蒙古自治区最大的河套灌区、重要的工业基地和交通干线等均位于黄河两岸，该地区的防凌安全直接关系到区域社会经济的可持续发展。

1 防凌形势

目前，宁蒙河段凌汛及其灾损情况主要表现在以下4个方面。

1.1 中水河槽萎缩严重，冰下过流能力急剧下降，凌灾加剧

宁蒙河段主流摆动剧烈，游荡性河段较长，大部分属于冲积性河道。20世纪80年代中期以来，龙羊峡、刘家峡等水库群的联合运用在很大程度上改变了该河段的天然径流过程，水沙关系趋于不协调，导致内蒙古河段的中水河槽严重淤积萎缩，平滩流量由1986年前的3500～4 000 m3/s普遍降至1 500 m3/s左右，局部河段不足1 000 m3/s。在中水河槽萎缩的同时，冰下过流能力也不断下降，致使槽蓄水增量不断增加。槽蓄水增量在无水库调节时的1950—1968年期间为7.3亿m3，在刘家峡水库单独调节时的1968—1986年期间为9.4亿m3，在龙羊峡、刘家峡两库调节后的1986—1995年期间为12.3亿m3、1995—2000年期间为13.2亿m3、2000—2008年期间为14.2亿m3。槽蓄水增量的增加导致河道长时间在高水位运行，一旦气温回升幅度较大将使槽蓄水增量急剧释放而极易造成冰塞、冰坝壅水水位升高而致使凌灾加剧。

1.2 防凌工程体系不完善，难以有效控制冰凌洪水

现状宁蒙河段的防凌主要依靠上游的龙羊峡和刘家峡水库、沿河两岸的堤防工程、局部防凌应急分洪工程等工程措施。

与宁蒙河段防凌有关的大型水库是龙羊峡水库、刘家峡水库和海勃湾水库。在内蒙古河段开河期适当减小刘家峡水库泄量，可减轻防凌压力。通过控制刘家峡水库凌汛期下泄水量，使得宁蒙河段凌汛特点发生较为显著的变化。刘家峡水库的运用有效改善了凌汛热力条件、动力条件，部分改变了河道边界条件，对凌汛期防凌工作具有一定的积极作用。现状，在调度运用方面的主要问题表现为防凌调度与发电、供水、灌溉等目标之间的矛盾突出，龙羊峡、刘家峡两库不能对上游来水及槽蓄水增量实施有效控制。

2014年建成的海勃湾水库对内蒙古河段的防凌作用主要体现在以下2个方面：①在刘家峡水库防凌调度的基础上，进一步减小开河期进入内蒙古河段的流量，降低冰塞冰坝的壅水水位，消除宁夏灌区引、退水造成的内蒙古河段流量过程的不稳定；②当内蒙古河段发生重大凌汛灾害时，海勃湾水库可以应急滞洪，减少凌灾损失，一旦堤防决口，可以减小下泄流量，为下游防凌赢得时间。但是，总体而言，海勃湾水库由于库容有限，目前尚难以从根本上解决内蒙古河段凌汛期的防凌安全问题。

《黄河内蒙古防凌应急分洪工程可行性研究报告》提出在内蒙古河段左右岸设置乌兰布和、河套灌区及乌梁素海、杭锦淖尔、蒲圪卜、昭君坟、小白河6个分洪区，设计总分洪库容为4.59亿m3，但相应的退水设施不完善，使得大部分分洪水量无法退入黄河，影响黄河水资源配置与调度。总体来说，目前宁蒙河段的水库、堤防和分洪设施的联合防凌调度机制尚未形成。

1.3 堤防工程标准低，洪凌灾害隐患多、风险大

宁蒙河段干流堤防大部分是在20世纪50年代开始建设的，后虽经多次加高、培厚，但干流堤防河长中仍有71%高度不足、62%宽度不足，堤防质量差、布局欠合理，主流摆动剧烈且游荡性强的问题未能得到有效控制，中常洪水极有可能冲决大堤；加之堤防上遍布1 000余座穿堤建筑物，导致防凌工程存在诸多安全隐患。整体来看，河防工程标准仍然较低，防凌风险依然较大。

1.4 凌情监控预报手段不完善，冰凌预报技术有待提高

宁蒙河段现状水文测报设施自动化程度不高，水文测站数量少，河道大断面测验频次不高，冬季气温预报的项目、精度和时效不能满足冰情预报工作的需要。近年来，受气候变化、人类活动等多方面的影响，宁蒙河段的凌情特点发生了明显变化，出现了许多新的特点；同时，宁蒙河段的冰情规律也发生了明显变化，凌汛对于沿河的灾害威胁日益增大，防凌的任务越来越重，防凌调度、抢险保安的要求越来越高，需要更有效的冰凌预报系统的支持。现有冰凌预报模型尚不能客观地反映黄河冰凌的变化特点尤其是冰凌变化的物理过程，因而其预报精度不高，不能满足黄河防凌的实际需要。

2 对策措施

基于上述宁蒙河段现状防凌情势，根据《黄河流域综合规划（2012—2030年）》，按照“上控、中分、下排”的宁蒙河段防凌对策总体思路，应进一步完善宁蒙河段的防凌工程体系，提出龙羊峡、刘家峡、海勃湾等干流水库的联合优化调度方式，开展水利工程防凌联合运用、冰凌预报数学模型、应急破冰技术研究，以期恢复或维持内蒙古河段中水河槽的行洪能力，实现减轻宁蒙河段凌汛灾害的目标。相应的对策措施可简要阐述如下。

2.1 防凌工程调度研究

2.1.1 水库群防凌调度研究

开展水库防凌调度是缓解和改善目前宁蒙河段防凌问题的主要途径，通过分析凌汛变化规律，研究龙羊峡水库、刘家峡水库、海勃湾水库的联合防凌调度技术，进而制定科学合理的水库群防凌调度运用方式，主要研究内容包括：①收集和整理龙羊峡、刘家峡两库以及海勃湾水库建成以来的防凌调度基本资料和数据，重点总结龙羊峡、刘家峡两库近40 a来的防凌调度经验，分析龙羊峡、刘家峡两库防凌调度中存在的问题，分析海勃湾水库建成以后的新形势下的水库群防凌调度优化运用的可行性；②研究上游水库群防凌调度的防凌库容、调度方式、控泄流量、控泄时机等关键技术，充分挖掘水库群防凌优化调度的潜力；③根据凌汛期不同阶段的凌汛特点，考虑不同的工程条件组合，研究减少槽蓄水增量的调度运用方式及其影响；④考虑必要的应急调度措施，结合典型年分析，提出不同频率和条件下的凌汛洪水的合理安排方案意见。

2.1.2 防凌应急分洪工程调度研究

结合黄河宁蒙河段凌灾特点及地形与河道堤防条件，确定乌兰布和、河套灌区及乌梁素海、杭锦淖尔、蒲圪卜、昭君坟、小白河6个防凌应急分洪工程的调度原则，研究其运用方式，分析防凌分洪工程与上游水库的防凌调度运用之间的协调关系。

2.1.3 防凌工程系统联合调度研究

基于水库、分洪区、堤防等不同功能类型的防凌工程，结合其空间布局，考虑不同频率和条件下的凌情特点，提出防凌工程系统的联合优化调度方案。

2.2 冰凌数学模型研究

目前，宁蒙河段冰凌预报模型主要是基于相关性分析的统计模型，包括统计相关预报模型和神经网络预报模型，预报的主要内容有流凌日期、封河日期、开河日期、开河洪峰流量、最大十日水量等项目。统计模型只能用于对特征要素的预报且不确定性较大，由于涉及到水动力学、热力学等物理机制，冰厚、冰塞、冰坝、槽蓄水增量等凌情过程与要素的预报是难以采用统计分析模型来加以开展的。在防凌调度越来越趋于实时化的发展态势下，目前的冰凌预报现状已日益不能满足黄河防凌工作的实际需要。

宁蒙河段冬季的气温预报是冰情预报的主要参数之一。气象部门仅能提供常规的预报内容，其预报项目、精度和时效均远不能满足冰情预报的需要。宁蒙河段的冰情预报要求具有7～10 d的预见期，以便于上游水库的防凌调度，而气象部门目前尚不能提供此项预报服务。冰情的滚动预报要求有滚动的气温预报作为输入，若等待气象部门的气温预报，则在时效上不能满足冰情预报需要。

开展冰凌数学模型研究工作，需要进行冰情专项监测、建立河道地形模型、开发数学模型等工作。

2.2.1 冰情专项监测

目前，冰情监测项目仅有沿河水文站的一般冰情观测，各水文站控制河长较长，可达数百公里，河道冰情要素信息获取的时间频次和空间频次均较小，特别是在发生如河道内冰塞、冰坝的形成、变化和消失等特殊冰情现象时，均不能及时获得其信息，而这些信息的缺乏使得冰凌模型无法反映河道内冰凌的沿程变化情况。因此，为了构建有效的冰凌预报模型，有必要采取增加凌情观测站点和加强巡测相结合的方式，并根据模型率定的需要，增设特殊凌情的观测项目，以便为冰凌模型的开发和率定提供基本输入和边界数据。所需开展的专项冰情监测项目主要有冰塞、冰坝的观测，包括冰塞、冰坝的发生位置、时间、流量、壅水位、灾情以及冰塞、冰坝体的范围、体积及厚度，冰塞、冰坝下过流能力，冰质和冰孔隙率，冰情图测绘等。

巡测工作可由两个巡测队分别跟踪观测封河上首和下首位置处的冰情特征，并及时上报冰情；开河期同样由两个巡测队跟踪观测开河上、下界冰情和水情特征；若发生冰塞、冰坝则成立专门观测组，在冰塞、冰坝发生地驻测，观测整个冰情现象的产生、发展和消亡的全过程。

2.2.2 河道数字高程模型构建

构建河道地形数字高程模型是为冰凌模型提供边界条件，用于计算水流演进和槽蓄水量变化。可通过对宁蒙河段的河道地形测量成果和数字地图进行相应处理和加工来构建黄河宁蒙河段的河道数字高程模型。应用包括电子地形和卫星影像在内的数字地形，一是获取宁蒙河段的河势以用于划分模拟河段单元，二是揭示河道滩地地形地势。在数字地形的支持下，可以通过冰凌模型计算的槽蓄水量的变化来反映河段水位，又可以通过实测水位来推算河段的槽蓄水量。

2.2.3 冰凌数学预报模型构建

黄河宁蒙河段冰凌数学预报模型可包括河道流量演进模块、河道冰凌模块以及河道流量演进模块与河道冰凌模块的耦合。①河道流量演进模块，以水文学方法为基础，结合宁蒙河段河道地形模型，计算槽蓄水增量的沿程变化，动态模拟凌汛期槽蓄水量变化；②河道冰凌模块，利用热力学方法计算各河段单元水体的辐射热交换、对流热交换和传导热交换以及水冰热量平衡，动态模拟流凌、封河、开河、冰塞、冰坝等冰情的时空发展过程，具体包括流凌形成子模块（计算各个河段流冰形成时间和流冰量）、封河过程子模块（计算各个河段封河时间）、封河发展子模块（计算各个河段封河期冰盖厚度、冰盖下冰花侵蚀与堆积过程等）、开河模拟子模块（计算各个河段开河时间、冰凌洪水释放等）；③河道流量演进模块与冰凌模块的耦合，通过上述过程，动态模拟整个凌汛期宁蒙河段水流与冰凌的相互作用、水流变化条件下的冰凌演化过程。

2.2.4 中短期气温预报模型构建

中短期气温预报模型的开发是为了实现宁蒙河段沿河各气象站10 d内的气温预报。气温预报是以国内外的气象部门的天气模型的预报产品为初始依据，短期气温预报可采用中尺度天气预报模式，获得未来72 h的地面气温过程；中期预报在国内外主要中期天气预报模式的天气形势预报成果的基础上，可采用多元统计方法建立日气温预报关系。但是，原始预报成果在应用中可能会存在较大的误差，需要进行修正，途径有两个：①在短期气温预报中，以历史的气温预报成果和实况建立修正关系，对未来的短期气温预报成果进行修正；②在中期预报中，以历史的天气形势和天气要素预报产品与历史气温实况建立数量关系，以实时的天气形势预报为因子，做出未来气温预报。

3 结语

由于特殊的地理位置和气候条件，黄河宁蒙河段与黄河流域一样具有水沙异源、水沙关系不协调的特点。1986年龙羊峡水库运用后，龙羊峡、刘家峡两库汛期拦蓄洪水，降低了汛期水量和输沙能力，加上遇到连续枯水及十大孔兑高含沙洪水入黄等因素，宁蒙河段河道淤积萎缩现象加重，部分河段成为地上悬河，河道行洪能力显著降低，冰塞、冰坝阻水现象严重，成为黄河凌汛最为严重的河段，在广泛调研的基础上，分析原因，探讨影响，开展相应的对策措施研究是黄河宁蒙河段防凌减灾工作的重要内容。

TV875；TV882.1

A

1004-7328（2017）06-0046-03

2017—09—12

水利部公益性行业科研专项经费项目（201101016）

韩璞璞（1985—），女，硕士，工程师，主要从事流域水利规划咨询工作。

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.06.013